Модернизация четырехосной цистерны модели 15-145

курсовая работа

2.7 Расчётная схема котла цистерны и принятые допущения

В соответствии с рекомендациями «Норм…» расчет производится методом конечных элементов, с использованием известного конечно-элементного пакета COSMOS WORKS версия 7.

В расчетной схеме учитывались, такие геометрические особенности котла, как отверстия под сливной прибор, люк-лаз и выштамповка в нижнем листе котла для слива, перевозимого продукта. Также в расчетной схеме учитывались фасонные лапы, соединяющие котел с рамой платформы. Вырезы в котле, под сливной прибор и люк лаз, а также фасонные лапы являются концентраторами напряжений и учет данных особенностей котла предусмотрен требованиями ГОСТ 14249.

Для более точного расчета напряженно-деформированного состояния в зоне люка лаза, в расчетной схеме котла учитывалась обечайка люка-лаза.

Для расчета используется пластинчатая конечно-элементная модель котла.

Для расчета использовались пластинчатые конечные элементы. Конечные элементы имеют квадратичную функцию форму, что позволило с высокой точностью определить напряжения, возникающие в зонах концентрации напряжений. Используемый конечный элемент имеет шесть степеней свободы в каждом узле.

Конечно-элементная модель включает 26848 конечных элементов и 13680 узлов.

При всех расчетных режимах котел радиально закреплялся в зонах лежневых опор, в зоне фасонных лап ограничивались перемещения в продольном и поперечном направлениях, относительно продольной оси вагона. Схема приложения нагрузок к котлу и конечно элементная модель показана на рис. 15:

Кинематические, силовые граничные условия и конечно элементная модель

Расчёт на прочность котла. В соответствии с «Нормами…» котел рассчитывается на прочность при первом и третьем расчетном режиме.

Сочетание нагрузок, действующих на прочность при первом и третьем расчетном режиме, определяется в соответствии с таблицей 2.3 «Норм…».

При расчете по первому расчетному режиму принимается следующее сочетание нагрузок действующих на котел:

- сила тяжести жидкости;

- сила тяжести котла;

- сила инерции котла;

- давление от гидроудара, прикладывается по линейному закону, от максимального значения на одном днище до нуля на другом;

- рабочее давление в котле 0,15 МПа.

Величина максимального давления от гидроудара определяется отношением силы инерции жидкости к площади вертикальной проекции днища

,

где Nu - cила инерции жидкого продукта, определяется по формуле

где N - продольная сила удара, приложенная к автосцепке вагона - равная

при I режиме( удар) - 3.5МН,

при III режиме - 1.0 МН,

Подставив значения величин в формулы, получим:

1) для первого режима удар

МН.

МПа.

где аК - сила инерции котла.

2) для третьего режима

МН.

МПа

где mбр- масса вагона с грузом (94 т).

Подставляя данные, получаем, что величина продольного ускорения котла, при первом расчетном режиме, составляет 37,23 м/с2.

При расчете по третьему расчетному режиму принимается следующее сочетание нагрузок действующих на стойку:

- сила тяжести жидкости;

- сила тяжести котла;

- сила инерции котла;

- давление от гидроудара, прикладываемое по линейному закону, от максимального значения на одном днище до нуля на другом;

- рабочее давление в котле;

- вертикальная динамическая сила, определяется умножением силы тяжести груза и веса котла на коэффициент вертикальной динамики, для котла вагона-цистерны.

Коэффициент вертикальной динамики в соответствии с «Нормами…», определяется по формуле

,

где - среднее вероятное значение коэффициента вертикальной динамики;

- параметр распределения, согласно «Нормам…» принимается равным 1,13;

- доверительная вероятность, с которой определяется коэффициент вертикальной динамики;

Среднее вероятное значение определяется по формуле

=

где - коэффициент, равный для элементов кузова 0,05;

- коэффициент, учитывающий влияние числа осей n в тележке под одним концом экипажа, определяется по формуле

V - конструкционная скорость движения, м/c;

- статический прогиб рессорного подвешивания, м. Для тележки модели 18-100 принимается равный 0,05.

Подставляя данные получаем коэффициент вертикальной динамики равный 0,341.

При нагружении котла испытательным давлением учитывался вес жидкости и котла. Величина испытательного давления принимается согласно техническим условиям

Ри= 0,55 МПа.

В результате расчета были получены напряжения, возникающие в котле при первом, третьем и испытательном расчетных режимах.

Максимальные эквивалентные напряжения в котле при всех расчетных режимах возникают в зоне фасонных лап и выштамповки нижнего листа, и составляют для первого режима (удар) 320 МПа, при допускаемых 325 МПа. Для третьего расчетного режима максимальные напряжения составили порядка 168 МПа, при допускаемых 195 МПа. Для испытательного режима максимальные напряжения составили порядка 263 МПа, при допускаемых 292 МПа. Боле подробно уровни напряжений в различных зонах котла при различных режимах расчета приведены в таблицах 4-6.

Таблица 4

Максимальные напряжения в различных зонах котла при нагружении конструкции испытательным давлением

Зона котла

Максимальные эквивалентные напряжения, МПа

Допускаемые напряжения, МПа

Зона люка лаза

257

325

Фасонные лапы

210

325

Днища котла

64

325

Нижний лист котла в зоне сливного прибора и фасонных лап

320

325

Нижний лист котла в зоне лежневых опор

174

325

Таблица 5

Максимальные напряжения в различных зонах котла при первом режиме (удар)

Зона котла

Максимальные эквивалентные напряжения, МПа

Допускаемые напряжения, МПа

Зона люка лаза

166

292

Фасонные лапы

224

292

Днища котла

98

292

Нижний лист котла в зоне сливного прибора и фасонных лап

263

292

Нижний лист котла в зоне лежневых опор

220

292

Таблица 6

Максимальные напряжения в различных зонах котла при третьем режиме.

Зона котла

Максимальные эквивалентные напряжения, МПа

Допускаемые напряжения, МПа

Зона люка лаза

88

195

Фасонные лапы

95

195

Днища котла

28

195

Нижний лист котла в зоне сливного прибора и фасонных лап

168

195

Нижний лист котла в зоне лежневых опор

102

195

Из полученных результатов можно сделать вывод, что прочность котла удовлетворяет требованием «Норм…» при всех расчетных режимах.

Распределение эквивалентных напряжений при нагружении испытательным давлением

а)

б)

а - общее напряженно-деформированное состояние;

б - зона фасонных лап.

Распределение эквивалентных напряжений при третьем режиме

а)

б)

а - общее напряженно-деформированное состояние;

б - зона фасонных лап.

Распределение эквивалентных напряжений при первом режиме (удар)

а)

б)

а - общее напряженно-деформированное состояние;

б - зона фасонных лап.

Делись добром ;)